L`idrogeno e la pila a combustibile

Varie
L’idrogeno e la pila a combustibile
Origine, estrazione
L’idrogeno, con il simbolo chimico «H»,
dal latino hydrogenium (che genera
acqua), è un componente dell’acqua
(H2O). È presente in tutti gli esseri viventi,
nel petrolio, nel gas naturale e in molti
minerali, ma è sempre legato ad altri elementi come ossigeno (O), carbonio (C) e
molti altri.
L’idrogeno può essere estratto dagli idrocarburi, p. es. dal gas naturale. Attualmente è il
metodo più economico e quindi più utilizzato. Il 90% dell’idrogeno utilizzato nel
mondo è prodotto da materie prime fossili.
Con questa procedura si ottiene però molto
CO2 e si consuma molta energia. D’altra
parte il gas naturale può essere utilizzato
direttamente come combustibile per veicoli,
senza seguire il percorso più lungo e costoso
attraverso l’idrogeno.
Anche la molecola dell’acqua H2O può
essere scissa in idrogeno H2 e ossigeno O2
utilizzando la corrente elettrica (elettrolisi).
Durante la combustione dell’idrogeno si
ottiene nuovamente acqua. Il consumo di
corrente elettrica corrisponde però a più del
doppio della quantità di energia, disponibile
alla fine della catena produttiva per l’utilizzo
dell’idrogeno come combustibile per veicoli.
Alcuni scienziati dell’Università di Massachusetts, nell’estate del 2008, sono riusciti a
ridurre questo consumo di corrente grazie a
un nuovo catalizzatore liquido. La quantità
di energia elettrica necessaria per la
scissione dell’acqua sarà sempre maggiore della quantità di energia di 33
kWh/kg liberata durante la combustione
dell’idrogeno! Altrimenti sarebbe stato
inventato il moto perpetuo.
Caratteristiche
L’idrogeno è l’elemento più leggero esistente. Per questo motivo ha bisogno di
relativamente molto spazio. Come combustibile ha però un elevato contenuto energetico.
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Densità in forma gassosa a 0 °C e pressione atmosferica: 0,09 g/l. Un litro
d’idrogeno in queste condizioni occupa
in teoria lo spazio di una piscina per
bambini di dimensioni medie (circa 11
m3).
Densità liquido: 71 g/l a temperatura di
ebollizione -253°C (benzina: 745 g/l a
15°C), 14 litri d’idrogeno liquido in un
secchio peserebbero solo 1 kg.
Emissioni di CO2: l’idrogeno (H2) con la
combustione diventa acqua (H2O). Non
viene prodotta CO2.
Research numero ottani: si suppone leggermente inferiore alla benzina senza
piombo 91. Il numero di ottani ha importanza per i motori a combustione, non è
import1ante per la cella a combustione.
L’idrogeno è una merce pericolosa di
categoria «altamente infiammabile».
Una miscela con proporzione da 4 a 76
vol.% di idrogeno e aria è un gas detonante, che si incendia in presenza di
scintille. Dato che l’idrogeno è anche
molto volatile ed è in grado di fuoriuscire
anche attraverso delle pareti semplici di
acciaio, queste caratteristiche rappresentano un notevole potenziale di pericolo.
Dai primi prototipi di vettura degli anni
Ottanta è noto che durante 10 giorni di
fermo veicolo, circa la metà del contenuto
del serbatoio si disperde attraverso le pareti
del serbatoio stesso. Questo problema
sembra ora risolto. Le esigenze di tenuta e
soprattutto di resistenza all’invecchiamento
dell’impianto del carburante sono comunque molto elevate.
Stazioni di rifornimento
In Germania esistono quattro stazioni di
rifornimento pubbliche, due a Berlino, una a
Monaco e una a Francoforte. Nella stazione
di rifornimento di Francoforte, da novembre
2006, è possibile acquistare sia l’idrogeno
liquido, compresso, sia l’idrogeno gassoso
con pressione di riempimento di 350 bar e
700 bar.
In Svizzera non vi sono stazioni di rifornimento d’idrogeno e allo stato attuale (2009)
non sono in progetto.
Al momento in Germania l’idrogeno costa
ca. 8 /kg, corrispondenti a CHF 12.-/kg, senza
tassa sugli idrocarburi ed ecotassa. Il valore
energetico di 1 kg d’idrogeno corrisponde
a 3,7 l di benzina. Conseguentemente il
prezzo riferito all’idrogeno corrisponde al
valore energetico di un prezzo della benzina
di circa CHF 3,25 al litro.
Secondo gli specialisti, con l’aumento della
domanda sarà possibile, in breve tempo, raggiungere il dimezzamento di questo prezzo.
È improbabile che si sia tenuto conto anche
del fatto che, con l’aumento della domanda
d’idrogeno, aumenta anche il prezzo per la
materia prima, il gas naturale.
Serbatoio veicolo
Si può distinguere tra serbatoi per idrogeno
liquido a -253°C e serbatoi per idrogeno
gassoso con pressioni di 350 e 700 bar, dove
la maggior parte dei prototipi monta serbatoi per gas a 350 bar. I costruttori fanno
notare che in futuro saranno più diffusi i serbatoi a 700 bar. L’energia necessaria per la
compressione a 700 bar corrisponde a circa
il 12% del contenuto energetico dell’idrogeno. L’energia necessaria per la produzione
d’idrogeno liquido è ancora maggiore.
Il serbatoio con un contenuto di 8 kg
d’idrogeno liquido trova spazio nel baule.
Nell’esempio della BMW Hydrogen 7 rimane
uno spazio utile nel bagagliaio di ben 200
litri. Questo sistema non necessita di sovrappressione, ma ha altissime esigenze in fatto
di raffreddamento e isolamento termico di
serbatoio e tubature.
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I serbatoi per il gas hanno bisogno di più
spazio. Il prototipo Ford USA «Hy-SeriesDrive» nella sua bombola dal diametro di 42
cm con una lunghezza di 210 cm può contenere 4,5 kg di idrogeno a 350 bar. Questa
grossa «bottiglia di vetro» sdraiata si trova
al centro del veicolo, sul fondo, disposta
per il lungo. A 700 bar con un volume identico sarebbe possibile trasportare circa 8 kg
d’idrogeno.
La vettura più recente, la BMW Hydrogen
7, è stata costruita in circa 100 esemplari.
Il motore a 12 cilindri con una cilindrata da
6,0 l, ridotto a ca. 260 CV, può funzionare
sia con benzina che con idrogeno. Il tipo di
carburante da impiegare può essere controllato tramite un tasto sul volante.
Pila a combustibile
Veicoli
I veicoli a idrogeno esistono come prototipi,
costruiti a scopo sperimentale singolarmente
o in piccole serie. Si distingue tra veicoli con
motore a combustione e veicoli con cella
a combustione. La versione con motore a
combustione sembra un po’ meno distante
da una produzione in serie per un uso quotidiano. Durante la combustione vengono
però prodotti degli ossidi d’azoto NOx, che
devono essere trattati. Non è questo il caso
nell’impiego della cella a combustione.
Motore a combustione
La BMW sta raccogliendo esperienze con
l’azionamento a idrogeno già dagli anni
Ottanta. La BMW ha sempre puntato sui
motori a combustione. Con questa strategia BMW avrà un’alternativa «a portata
di mano» quando la situazione lo richiederà, senza dover costruire un’auto completamente nuova, dovendosi rivolgere a
nuovi fornitori per la produzione. Secondo
la BMW lo svantaggio del motore a combustione rispetto alla cella a combustione,
per quanto riguarda il grado di efficienza,
potrebbe essere praticamente eliminato con
ulteriori migliorie tecnologiche.
Se gli annunci alla IAA di Francoforte del settembre 1997 si fossero realizzati, avremmo
in circolazione, già dal 2005, delle auto
con pile a combustibile prodotte in serie.
All’epoca, gli ingegneri avevano intenzione
di immettere il metano nel serbatoio delle
auto per produrre direttamente a bordo
l’idrogeno necessario per la pila a combustibile, utilizzando un processo di «reforming»
catalitico. Dato che il metanolo non sarà
disponibile a lungo termine in quantità sufficienti, attualmente tutte le case automobilistiche preferiscono immagazzinare l’idrogeno nel serbatoio della vettura trasportandolo direttamente, malgrado l’elevato coinvolgimento tecnologico necessario.
L’idrogeno H2 viene apportato agli anodi e
scisso in particelle negative e positive tramite il catalizzatore. Le particelle con carica
positiva (protoni) possono «marciare» direttamente verso i catodi passando attraverso
una membrana. Ciò avviene perché sui
catodi si trova l’ossigeno caricato negativamente pronto per formare un legame con
acqua H2O. Le particelle con carica negativa
(elettroni) non possono passare attraverso la
membrana. Esse sono costrette a prendere
un altro percorso attraverso una conduttura.
In questo modo si ottiene della corrente utilizzabile. Dato che una cella fornisce solo da
0,5 a 1,0 Volt di tensione, sono necessarie
molte piccole celle per azionare un’auto.
Un grande limite all’impiego comune delle
celle a combustibile è stato fino a poco
tempo fa il fatto che esse funzionano correttamente solo a temperature tra 0°C e
100°C, quando l’acqua è in stato liquido.
Delle modifiche molto interessanti nel settore delle membrane elettrolitiche (vedi
schema a sinistra) fanno pensare che in
futuro saranno possibili partenze a freddo
con temperature inferiori a -20°C e anche
con temperature di funzionamento superiori a 100 °C. L’applicazione pratica e una
produzione in serie sono comunque ancora
lontane.
La pila a combustibile non brucia l’idrogeno
con una fiamma. Essa trasforma l’energia
contenuta nell’idrogeno in corrente. Con la
corrente si alimenta un motore elettrico e/o
si carica una batteria come riserva d’energia.
Funzionamento:
Le celle a combustibile di oggi lavorano con
un grado di efficienza del 50% circa. Molti
ingegneri si prefiggono di incrementare
questo valore fino al 60 o 70%. Sarebbe
quasi il doppio dei motori a combustione,
in cui il grado di efficienza di regola è tra il
30 e il 40%.
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Consumo di carburante e costi
Conclusioni
Nella BMW Hydrogen 7 con motore a combustione, il consumo d‘idrogeno è di circa
3,5 kg/100 km. Ciò corrisponde a un costo,
convertito in franchi, di circa CHF 42.-/100
km. È quasi il doppio del costo della benzina, con cui un veicolo percorre circa 100
km con 14 l. Con il prezzo della benzina a
CHF 1,60; il costo del carburante è di CHF
22,40/100 km.
Nasce la domanda di come viene prodotto
l’idrogeno. Se la produzione avviene da
materie prime fossili, queste si esauriranno
prima e si producono emissioni CO2. In
questo caso, prima o poi, potrebbe intervenire il fisco, per rendere più concorrenziale
la produzione tramite elettrolisi o per ridurre
le emissioni di CO2.
I consumi d’idrogeno di diversi prototipi di
celle a combustione sono stimati vicino a 1,5
kg/100 km dalla maggior parte delle fonti.
È meno della metà rispetto al motore bivalente idrogeno/benzina. Esempi:
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«1,5 kg per 100 km», viaggio test con
Mercedes F-Cell (ADAC)
«4,2 kg per una distanza di 320 km»,
Opel Hydrogen4 (Automobil Revue,
Tagesanzeiger)
«Poco più di 1 kg/100 km», Nissan X-Trail
FCV (Automobil Revue)
«4,5 kg per una distanza di 320 km»,
Ford Hy-Series-Drive (Automobil Revue)
Come per le vetture elettriche, si pone la
domanda, da dove si ricava la corrente per
l’elettrolisi. Il gas naturale e le centrali a carbone emettono gas serra, le centrali nucleari
e anche le nuove centrali idroelettriche sono
spesso contestate politicamente. Restano
l’energia eolica e quella solare, considerate
pulite, che però coprono solo una piccola
parte del fabbisogno energetico e nei confronti delle quali sono già state avanzate
delle parziali riserve.
Un consumo d’idrogeno di 1,5 kg/100 km
corrisponde a un consumo energetico di 50
kWh/100 km, contro i 22 kWh/100 km circa
che consumerebbe una vettura elettrica. Da
questo punto di vista sarebbe più sensato
utilizzare l’elettricità per caricare le vetture
elettriche invece di fare l’elettrolisi dell’acqua.
Il vantaggio decisivo delle vetture a idrogeno
è il processo di rifornimento di carburante.
Anche se esso dura il doppio rispetto al
rifornimento di vetture a benzina o diesel,
è comunque molto più breve della ricarica
delle batterie.
Si potrebbe pensare che quando l’era del
petrolio sarà finita si utilizzassero delle vetture elettriche leggere per le distanze brevi,
delle vetture più pesanti per le distanze
lunghe e dei motori a idrogeno o a celle
di combustibile per il trasporto merci. Ma
fino ad allora passeranno ancora diversi
decenni.
Infine dobbiamo ricordare che le nuove tecnologie non sono sottoposte in nessun luogo
a condizioni tanto «inospitali», a differenze
di temperatura tanto elevate, a vibrazioni
permanenti, a forze di frenata, accelerazione
e centrifughe, a movimenti di ribaltamento,
all’azione di polveri, pioggia, spruzzi e acqua
salata, a irraggiamenti sempre diversi e onde
elettromagnetiche dalle frequenze più varie
e da campi di forza, ecc. come in un’automobile. Per le celle a combustibile, i campi
d’impiego stazionari, per es. nell’ambito del
riscaldamento di edifici, sarebbero molto più
semplici. Forse dipende dalle emozioni, forse
anche dalle cifre di produzione gigantesche;
potrebbero essere alcune delle cause per cui
molti inventori preferirebbero applicare le
loro invenzioni su un’automobile.
Il consumo d’idrogeno di 1,5 kg/100 km corrisponde, riferito al contenuto energetico, a
un consumo di benzina di circa 5,6 l/100 km.
In considerazione del peso dei veicoli, prevalentemente sulle 2 tonnellate, non è un cattivo valore. Questi valori sembrano plausibili
anche riguardo al miglior grado di efficienza
delle celle di combustibile, rispetto ai motori
a benzina. Con un prezzo dell’idrogeno di
CHF 12.-/kg (senza tassa sugli idrocarburi)
si ottiene un costo carburante di circa CHF
18.- per un viaggio di 100 km da Zurigo a
Berna.
© TCS Consulenze & Perizie,
Emmen
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N. attuale: 3979it
Data: 01.03.2010